Frequenzumrichters FU zur Drehzahlsteuerung

Folgendes Video beschreibt die Funktionsweise eines Frequenzumrichters FU zur Drehzahlsteuerung eines Drehstromasynchronmotors DASM. Aus dem Inhalt:

Aufbau Frequenzumrichter und Aufgabe seiner Baugruppen
Erzeugung Ausgangssignal mittels Pulsweitenmodulation PWM
Erzeugung eines 3-phasigen Ausgangssignals
Steuern des Drehmomentes und Geschwindigkeit
Parameter Boost and ramp
Technische Umsetzung des Wechselrichters

Aufbau Frequenzumrichter

Durch den Frequenzumrichter lassen sich sowohl Synchron-, als auch Asynchronmotoren steuern und regeln, d.h. stufenlos in Drehzahl und Drehmoment.

Das Funktionsprinzip des Frequenzumrichters ist einfach: Die Wechselspannung, des örtlichen Stromnetzes zunächst gleichzurichten, um diese dann in eine Wechselspannung gewünschter Frequenz und Höhe umzuwandeln:

Aufbau Frequenzumrichter

GLEICHRICHTUNG
Kleinere Frequenzumrichter können auch mit einer einphasigen Wechselspannung gespeist werden. Gleichgerichtet wird mit einer Brückenschaltung. Soll eine Rückspeisung der Bremsenergie (Stichwort: Nutzbremsung) möglich sein, so ist hier eine vollgesteuerte Brückenschaltung verbaut.

 GLÄTTUNG und SIEBUNG
Die pulsierende Gleichspannung wird im Gleichspannungs-Zwischenkreis durch einen Pufferkondensator geglättet, bzw. eine Spule drosselt starke Stromschwankungen.

Option: BREMSCHOPPER
Diese Baugruppe ist optional und dient dazu, die Bremsenergie (Quadrant II und IV) über einen Widerstand abzuführen.

 WECHSELRICHTER
Weiterhin wird mit der nachgeschalteten Wechselrichtschaltung die bereits geglättete Spannung aus dem Zwischenkreis in eine dreiphasige Drehspannung umgewandelt. Für diese Funktion finden heutzutage immer mehr IGBT´s Anwendung (Insulated Gate Bipolar Transistor).

HINWEISE FÜR DIE INBETRIEBNAHME UND WARTUNG

Aufgrund der Kondensatoren im Gleichspannungszwischenkreis liegt auch nach dem Ausschalten des Netzschalters noch eine Spannung im Gerät an. Geschultes Fachpersonal muss vor dem Öffnen des Geräts noch mindestens zehn Minuten warten (bzw. Spannungsfreiheit prüfen) bis das Gerät geöffnet werden darf.

Parametrierung Frequenzumrichter:

U/f Steuerung (Vektorregelung)

U/f-Steuerung ist die einfachste Steuerung eines DASM und wird dann eingesetzt, wenn nur geringe dynamische Anforderungen an den Antrieb gestellt werden (wie z.B. Bandantriebe, Pumpen, Lüfter). Ziel ist es hier, das Motormoment konstant zu halten. Dies wird mit der sogenannten U(f)-Anpassung bzw. „Ramp“ erreicht:

Wenn die Frequenz f am Motor erhöht wird, dann steigt der Scheinwiderstand Z der Motorwicklung. Als Folge würde der Motorstrom sinken und damit ebenfalls der magnetische Fluss Φ. Ein abnehmendes Motormoment wäre die Folge. Um diesem entgegenzuwirken, wird die Statorspannung proportional zur Frequenz erhöht.

Um den ohmschen Widerstand der Motorwicklung bei niedrigen Frequenzen zu kompensieren, sowie die Haftreibung zu überwinden, dient der Parameter „Boost“ bzw. Spannungsanhebung.

Aus diesen Sachverhalt leitet sich die U/f-Kennliniensteuerung ab:

Parameter Frequenzumrichter

87 Hz-Betrieb Drehstrom-Asynchronmotors an einen FU:

Kleinere Motoren bis ca. 3 kW werden üblicherweise an einem 400 V-Netz in Stern geschaltet. Der Feldschwächebereich beginnt bei 50 Hz und das Motormoment fällt ab. Werden diese Motoren nun in Dreieck angeschlossen und die Eckfrequenz bei 87 Hz gelegt, so kann das Motormoment bis 87 Hz konstant gehalten werden:

Drehstrommotor im 87-Hz Betrieb Frequenzumrichter

Die Kennlinie bei Dreieckschaltung verläuft also flacher und erreicht bei 87 Hz die maximale Ausgangsspannung des Umrichters von 400 V. Mit diesem Trick erreichen Sie eine Leistungserhöhung, da der Motor auch bei 87 Hz noch sein Nennmoment abgibt. Allerdings werden die Wicklungen bezüglich ihrer Isolationsfestigkeit höher beansprucht, was zu einer stärkeren Erwärmung führt.